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昨春、オハイオ州のプラントエンジニアから、13.8 kVのループ配電系統が3棟の生産施設に電力を供給しているという内容のメールをいただきました。この系統では、2週間にわたり地絡故障が発生し続けていましたが、保護リレーはほとんど反応しませんでした。その理由は、このループが「非接地系統」であり、故障電流が戻るための零相パスが存在しなかったためです。請負業者が焼損したケーブル継手を特定した頃には、健全な相で動作していた500 hpのモータードライブが2台すでに故障していました。彼が発注した対策は、15 kVクラスの「ゼグザグ巻線付き接地変圧器」でした。そして、私たちへの質問は簡潔なものでした。「発注書に記載する電流定格は、10秒間耐熱定格ですか、それとも連続定格ですか？」 非接地系統 ゼグザグ巻線付き接地変圧器 接地変圧器 ゼグザグ巻線付き接地変圧器
このような質問は、本来であればあまり起こらないはずなのに、意外と頻繁に見られます。まさにここに、仕様書の誤りが潜んでいます。こうした質問がプロジェクトで出た際、私たちは購入担当者に次のように説明しています。
接地変圧器の実際の役割
これは通常の意味での配電用変圧器ではありません。このような接地装置は、通常運転時にほとんど負荷を担いません。その主な役割は、中性点を持たない系統（典型的にはデルタ結線系統、あるいは中性点端子が利用できないか、堅固な直接接地が認められていないスターデルタ結線系統）に人工的な中性点を設けることです。
非接地系統で相対地短絡事故が発生した場合、故障電流はケーブルや巻線の分布容量を通じてのみ流れるため、その値は非常に小さくなります。このため保護継電器は故障を検出して遮断することができず、系統は1相が地電位となる状態で継続運転します。その結果、健全相の電圧は線間電圧（通常の相電圧の約1.73倍）まで上昇し、間欠的アーチングによる過渡的な電圧サージが生じることもあります。健全相に接続された電動機やケーブルはこうした過電圧に耐え続けなければならず、絶縁劣化が進行して、実際の故障点とは離れた場所で数週間後に絶縁破壊に至ることがあります。
ジグザグ接続の変圧器の中性点を接地すると、図が変化します。この巻線は零相電流の低インピーダンス経路を提供するため、地絡電流が変圧器を通って戻り、保護装置がこれを検出して遮断動作を行います。ジグザグ（相互接続スター）巻線では、各相が零相地絡電流のおよそ3分の1を負担するため、保護対象の負荷に比べて実際の装置サイズは小さく抑えられます。
ジグザグ接続とY-Δ接続：仕様書に記載すべき巻線はどちらか
お客様から、よく採用される2種類の 接地変圧器 — ジグザグ接続とY-Δ接続 — についてご質問をいただきます。
| 比較 | ジグザグ接続（相互接続スター） | Y-Δ接続 |
| 通常の負荷電流 | ほぼゼロ（励磁電流のみ） | 指定があれば補助用デルタ負荷も供給可能 |
| 零相インピーダンス | 設計上、低く制御可能 | 巻線の幾何学的構成によって設定される低値 |
| 物理的サイズ | コンパクトで、最もコストが低い | 大型で、コストが高い |
| 典型的な用途 | 480 V～34.5 kVシステムにおける純粋な接地用 | 接地に加え、補助電源または所内用負荷への供給も可能 |
| 一般的な定格値 | hRG用途では10秒間400 A（連続運転可能） | しばしば連続定格 |
中性点のみが必要なプロジェクトにおいては、 ジグザグ変圧器 ほぼ常に最適な選択です。サイズが小さく、コストが低く、屋外用エンクロージャ内への設置も容易です。当社工場では両タイプを製造していますが、出荷する接地用変圧器の注文のうち約9割がジグザグ方式です。補助負荷（例：デルタ側に接続する所内用配電盤など）への供給も必要となる場合にのみ、ワイ・デルタ方式をご指定ください。
連続定格 vs. 短時間定格：最も重要な仕様決定
この判断ミスがオハイオ州のエンジニアから電話を招きました。また、購入者が最も誤りやすいポイントでもあります。
A 接地変圧器 低抵抗接地方式と併用可能な中性点接地変圧器は 短時間運転用に設計されています 。システムの 中性点接地抵抗器 （NGR）は、地絡電流を所定の値（一般的には400 A、場合によっては200 Aまたは600 A）に制限し、保護方式が数秒以内に地絡を遮断します。このため、変圧器はIEEE C57.32の試験手順に基づき、通常10秒間その電流を耐えられるよう定格されています。「短時間用」の機器を「連続運転用」として定格設定すると、銅および鉄心の過剰なコストが発生します。逆に、「連続運転用」の機器を「10秒間」と定格設定すると、安全上の危険があります。
で 高抵抗接地 （HRG）システムでは、電流を意図的に約5 Aまたは10 A程度に制限し、保守担当者が地絡点を特定するまで、地絡が存在した状態でシステムを継続運転します。この装置は、無期限に電流を流すことを前提として定格設定される必要があります。 連続 — なぜなら、長時間にわたり電流を流す必要があるからです。仕様書でこの2種類の接地方式を混同することは、入札依頼書（RFQ）において最も頻繁に見られる誤りです。例えば、購入者が「接地用変圧器、400 A」とだけ記載し、運転モード（定格持続時間）を明記しないと、メーカーが誤った機器を見積もり提出してしまうことがあります。
まずシステムの接地方式を決定：非接地、直接接地、低抵抗接地、または高抵抗接地
接地装置の評価を行う前に、まずシステムの接地方式を決定する必要があります。これは、流れる電流、許容継続時間、および保護方式を定めるからです。
- 非接地系統 は多くの産業規格で認められています（米国国家電気規格（NEC）第250.21条でも依然として許容されています）。ただし、第1次地絡故障を無音で許容し、健全な機器を過電圧にさらすという欠点があります。この構成は、購入者が後から接地装置を追加する主な理由となる場合が多いです。
- 直接接地（ソリッドグランディング）された スター（Y）結線系統では、中性点が利用可能かつ規格上許容される場合、接地装置は不要です。一方、中性点にアクセスできない場合や直接接地が認められない場合には、ジグザグ変圧器が用いられます。
- 低抵抗接地 系統（通常は200～800 A、10秒間耐熱）は、中圧産業用配電系統における標準的な選択肢です。ジグザグ変圧器と中性点接地抵抗器（NGR）を組み合わせることで、故障点での損傷を最小限に抑えつつ、信頼性の高い地絡検出が可能です。
- 高抵抗接地 システム（5～10 A、連続）は、単一の故障が発生してもアラームを出しながら運転を継続できるため、予期せぬ停止を許容できない480 Vプロセスで広く採用されています。NEC 250.36では、480 Vから1000 Vまでのシステムにおける高抵抗接地（HRG）について規定しています。
参考までに、これらのうちどれがあなたの工場に適しているかを判断する接地方式については、 産業・商業用電源システムの接地に関するIEEE 142推奨実施基準 に記載されています。当社では、顧客からシステム構成の見直し依頼を受けた際には、これを基準としています。
仕様書に必ず記載すべき項目
RFQを提出する際には、 接地変圧器 以下の項目をすべて明記した完全な仕様書が必要です。これらのいずれかが欠けていると、見積担当エンジニアは即座に気づきます。
- 系統の線間電圧および周波数（例：13.8 kV、60 Hz）ならびに絶縁システムに要求されるBILクラス。
- 中性点接地方式： 低抵抗接地（中性点接地抵抗器［NGR］の定格電流および耐熱時間：400 A、10秒）または高抵抗接地（HRG）の連続定格（5 Aまたは10 A）。
- 連続運転または短時間運転の定格を明示すること——推測に委ねてはならない。
- 中性点接地用抵抗器が付属するかどうか、およびその抵抗値（オーム）を明記すること。なぜなら、ジグザグ巻線単体では電流制限ができないからである。
- 外装および設置環境：屋内・屋外・地上据付型・変電所フレーム据付のいずれか、および温度クラス。
- 適用される試験規格——当社では以下の規格に基づき設計・製造・試験を行っています： IEEE C57.32 。この規格は、中性点接地装置に関する要求事項、用語、試験手順（温度上昇試験および短時間電流試験を含む）を規定しています。
- デルタ結線またはジグザグ結線方式、および補助負荷を担う必要があるかどうか。
A ジグザグ変圧器 15 kVクラスの系統向けに設計された、10秒間400 Aの接地装置は、周囲の配電変圧器と比較すると小型・軽量ですが、「小型」ということは「単純」という意味ではありません。零相インピーダンス、中性点における絶縁協調、短時間熱耐量など、すべてを厳密に設計・検証する必要があります。
ライアン社における接地装置の設計・製造・試験方法
2023年よりイートン社との正式な合弁パートナーとして活動しており、この協業関係が当社の特殊機器（本製品を含む）に対する取り組み方を規定しています。すなわち、これらは当社の主力流通ラインと同一の厳格な品質管理プロセスを経ており、いわゆる「別枠対応」ではありません。当社の工場は延床面積12万平方メートルで、180台以上の設備を稼働させています。接地変圧器は、巻数比試験、絶縁抵抗試験、印加電圧試験および誘起電圧試験を含む工場出荷試験報告書の発行後のみ出荷されます。また、定格条件によっては、当社品質保証（QA）チーム立会いのもとで短時間電流試験も実施します。
試験現場で培った習慣の一つですが、お客様からの見積依頼（RFQ）に「接地変圧器」とだけ記載があり、その他の仕様が一切示されていない場合、見積提出前に必ず電話で確認させていただいています。過去1年間で、実際に見つけた例としては、10秒間の短時間負荷用途に連続定格の機器を納入してしまうところだったケースや、実際には補助負荷用のY-Δ接続が必要だったシステムに対してゼグザグ接続を発注しようとしていたケースなどがあります。これらの確認は電話で5分ほどで済みますが、その後数か月に及ぶトラブルを未然に防ぐことができます。
バイヤーにとっての結論
施設の高圧配電系統が非接地式中圧系統、あるいは中性点を確実に得られないデルタ結線系統である場合、 接地変圧器 ジグザグ巻きの変圧器が実用的な解決策です。この変圧器は零相電流の流通路を確保し、健全な機器への過電圧ストレスを抑制するとともに、地絡保護リレーがようやく地絡故障を検出できるようになります。巻線方式は補助負荷供給機能が必要かどうかで選定し、耐熱定格（連続／短時間）は採用する接地方式に応じて選定してください。低抵抗接地（NGR制限）方式には10秒定格、高抵抗接地（HRG）方式には連続定格をご使用ください。
系統電圧、接地方式の考え方、および地絡電流の目標値をお知らせいただければ、ご発注前に適切な定格を確認いたします。メールにて [email protected]お問い合わせいただくか、当社ウェブサイトの「お問い合わせ」ページからお見積り依頼をお送りください。仕様の確認は無料で行っています。このステップこそが、非接地系統を計画外停電に至らしめないための重要なプロセスです。
著者について
ライアン・エレクトリックは、2007年に中国で設立されたトランスメーカーで、北米、東南アジア、中東の電力会社、データセンター、産業向け顧客に製品を提供しています。本記事は、当社のエンジニアリングチームおよびコンテンツチームが、工場での試験経験および世界中へ出荷されたトランス案件に関する現場からのフィードバックをもとに作成しました。